在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程中引入Ｐｒｏｔｅｕｓ教學(xué)研究

摘要：本文從單片機(jī)原理與應(yīng)用課程特點(diǎn)及當(dāng)前教學(xué)中存在的問題出發(fā)，提出了單片機(jī)仿真教學(xué)方案。實(shí)踐情況和統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，把Proteus引入單片機(jī)課程教學(xué)中，教學(xué)效果良好，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到極大提高。

關(guān)鍵詞：Proteus；單片機(jī)；仿真教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程是電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)目的是通過理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生正確理解單片機(jī)的基本概念、基本原理，掌握單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和接口應(yīng)用的基本方法，并能綜合運(yùn)用單片機(jī)的軟硬件技術(shù)，分析實(shí)際問題，為工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等領(lǐng)域的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)，均是以單片機(jī)的結(jié)構(gòu)為主線，按單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、指令、軟件編程、單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展、各種外圍器件的應(yīng)用的順序講授，最后再講一些實(shí)例。這種傳統(tǒng)的教學(xué)結(jié)構(gòu)，學(xué)生普遍感到難學(xué)。在現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展和教學(xué)條件下，應(yīng)該積極探索新的教學(xué)方式。

1傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)存在的不足

單片機(jī)教學(xué)包括理論和實(shí)踐教學(xué)，而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)中存在諸多問題，如教學(xué)方式多以課堂原理講解與少量硬件仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，課堂教學(xué)多以理論為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也多進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。但單片機(jī)是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，本身比較抽象，所以在教學(xué)中必須把教學(xué)內(nèi)容更為直觀地展示給學(xué)生。為此，教師一般會(huì)把實(shí)驗(yàn)板或者仿真器引入到課堂上，通過在課堂上現(xiàn)場做一些演示實(shí)驗(yàn)給學(xué)生看，但是采用這種方法往往效果不是很好，主要表現(xiàn)在：(1)在課堂上現(xiàn)場做演示實(shí)驗(yàn)很浪費(fèi)時(shí)間，降低了教學(xué)的效率；(2)小小的實(shí)驗(yàn)板和仿真器演示起來很難看清楚，也很難讓所有學(xué)生都觀察到效果，所以采用這種演示的方法來進(jìn)行理論教學(xué)往往是事倍功半。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)也存在不少問題，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不足，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足。由于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的場地和時(shí)間等問題，除了上課以外，平時(shí)學(xué)生難得有機(jī)會(huì)實(shí)踐。個(gè)人配備單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，因成本較高，很多學(xué)生無法承受。又由于一般單片機(jī)實(shí)驗(yàn)多為箱式成品，學(xué)生難以參與到其中的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，學(xué)生動(dòng)手能力很難得到訓(xùn)練和提高。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、落后。建造單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室成本高，一般學(xué)校很難達(dá)到學(xué)生人手一套實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，并且隨著技

術(shù)的不斷發(fā)展、設(shè)備的不斷老化，實(shí)驗(yàn)設(shè)備也需要更新。要解決此問題就需要不斷重建單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，因此必將帶來資金耗費(fèi)嚴(yán)重等問題。

課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)活動(dòng)中存在明顯的不足。在實(shí)際教學(xué)中常常需要學(xué)生設(shè)計(jì)一些基于單片機(jī)的系統(tǒng)，以提高學(xué)生的綜合能力。單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程設(shè)計(jì)及軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)調(diào)試三個(gè)方面。目前單獨(dú)的軟、硬件設(shè)計(jì)都有較好的軟件支持，而在軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)調(diào)試上，傳統(tǒng)的方法中應(yīng)用程序需要在硬件完成的情況下才能進(jìn)行調(diào)試，這就必須進(jìn)行制板、元器件焊接。在軟硬件的配合中如需要修改硬件，必須重新制板，在時(shí)間和經(jīng)濟(jì)投入上帶來很大的麻煩。

2引入Proteus的可行性

針對傳統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在諸多的不足，促使我們在教學(xué)中尋找新的教學(xué)方式和方法，從教學(xué)實(shí)踐上看，將Proteus引入單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的教學(xué)中是可行的。

目前我校已建立眾多的多媒體教室，為課堂教學(xué)引入Proteus提供了基本條件，同時(shí)學(xué)校還擁有很多教學(xué)公用計(jì)算機(jī)，加上很多同學(xué)也擁有計(jì)算機(jī)，這就為學(xué)生學(xué)習(xí)使用Proteus創(chuàng)造了良好的條件。

單片機(jī)課程大都安排在大學(xué)二年級(jí)，學(xué)生從大學(xué)一年級(jí)開始系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此學(xué)生已有了學(xué)習(xí)與使用Proteus的基礎(chǔ)。

現(xiàn)在EDA技術(shù)的發(fā)展，已具備單片機(jī)仿真的軟件，本文探討的Proteus仿真軟件是一款含有大量的系統(tǒng)資源、豐富的硬件接口電路，具有強(qiáng)大的調(diào)試功能和軟硬件相結(jié)合的仿真系統(tǒng)，完全符合單片機(jī)教學(xué)的要求。在教學(xué)過程中既可調(diào)試單片機(jī)程序，也可仿真單片機(jī)外圍器件的工作情況；既能充分利用學(xué)校計(jì)算機(jī)房現(xiàn)有計(jì)算機(jī)，減少硬件設(shè)備的維護(hù)工作量，還可為學(xué)生提供豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。本仿真系統(tǒng)結(jié)合了單片機(jī)和外圍電路，與實(shí)際工程系統(tǒng)非常接近，拉近了單片機(jī)學(xué)習(xí)與就業(yè)的距離。

3Proteus在單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)中的應(yīng)用

3.1Proteus簡介及其在單片機(jī)教學(xué)中的意義

Proteus軟件是來自英國Labcenter Electronics公司的EDA工具軟件，Proteus軟件有十多年的歷史，在全球廣泛使用。Proteus軟件由于強(qiáng)大、直觀、完善、全面的功能，已為越來越多的國內(nèi)大學(xué)作為電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、單片機(jī)設(shè)計(jì)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等電類綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為教學(xué)改革、創(chuàng)新和科研開發(fā)提供了良好的軟件支撐。

目前企業(yè)單位對單片機(jī)應(yīng)用人才的需求量仍然很大，對技術(shù)水平的要求也越來越高。面對傳統(tǒng)教學(xué)中存在的諸多問題，借助Proteus對CPU和外圍電路強(qiáng)大的仿真能力以及豐富的資源庫，可以有效替代硬件仿真器進(jìn)行先期的軟硬件調(diào)試，等到仿真結(jié)果基本理想時(shí)再進(jìn)行實(shí)際的硬件調(diào)試。這樣的開發(fā)過程不僅高效，而且會(huì)盡可能地減少損失，對于解決實(shí)驗(yàn)室資源緊張的問題是一個(gè)很好的思路。

3.2將Proteus引入單片機(jī)課堂教學(xué)

過去在課堂上演示單片機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試幾乎不可能，然而利用Proteus仿真軟件可以輕松做到這一點(diǎn)。在進(jìn)行多媒體教學(xué)時(shí)，可設(shè)計(jì)大量的單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例，用Proteus軟件演示從單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)到軟件調(diào)試的全過程，并演示運(yùn)行結(jié)果，增強(qiáng)教學(xué)生動(dòng)性和直觀性。比如教師可以制作一些典型的應(yīng)用系統(tǒng)，如流水燈、交通燈、數(shù)字鐘及LCD顯示等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，讓學(xué)生對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，明白一個(gè)完整系統(tǒng)的含義，清楚單片機(jī)在一個(gè)系統(tǒng)中的作用和地位以及應(yīng)用情況。

其次，采用Proteus有助于明確概念，解決難點(diǎn)。在單片機(jī)教學(xué)中，如P口作為準(zhǔn)雙向口的這個(gè)概念以及如何應(yīng)用是較難掌握的一個(gè)問題。如中斷如何產(chǎn)生，LED燈的位選和線選如何區(qū)別，串行通信如何實(shí)現(xiàn)等等教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，都可以通過Proteus的演示讓學(xué)生掌握清楚。Proteus還具有用色點(diǎn)顯示芯片管腳狀態(tài)的功能，教師可通過單步調(diào)試的方法讓學(xué)生觀察引腳的高低電平變化。也可通過示波器、邏輯分析儀和發(fā)光二極管進(jìn)行觀察。另外Proteus有助于理解指令含義，通過改變某段程序或指令，觀察運(yùn)行效果，從而理解語句含義。

3.3用Proteus改進(jìn)單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)踐教學(xué)通常在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，然而由于各種原因，許多高校實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備更新難以跟上，實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備陳舊和老化，難以滿足實(shí)踐教學(xué)的要求。在實(shí)踐教學(xué)上引入Proteus仿真軟件，可以建立先進(jìn)的單片機(jī)仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室。Proteus仿真軟件上有國際通用的虛擬儀器及電子元器件庫，用戶可以方便地進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)和仿真測試，觀察電路的工作狀態(tài)及軟件運(yùn)行后的變化情況，用它來做單片機(jī)的仿真分析和設(shè)計(jì)無疑是很方便的。Proteus仿真軟件可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供了幾乎所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要的外圍電路和器件，如LED、LCD、RAM、ROM、鍵盤、電機(jī)、AD/DA、部分SPI器件、部分I2C器件等，學(xué)生在機(jī)房就可以進(jìn)行單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試和PCB設(shè)計(jì)。利用Proteus軟件，學(xué)生甚至可以利用課余時(shí)間在宿舍進(jìn)行單片機(jī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和調(diào)試，極大地開拓了單片機(jī)學(xué)習(xí)的空間，降低了單片機(jī)的學(xué)習(xí)成本，提高了學(xué)習(xí)效果。

此外，采用Proteus仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)還有一個(gè)好處，就是不存在器件損耗問題，從而大大節(jié)約了教學(xué)資源。根據(jù)課時(shí)安排，教師可指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一些單片機(jī)項(xiàng)目的制作，讓他們在實(shí)踐中加深對理論知識(shí)的理解。學(xué)生每完成一步制作，都會(huì)有一種成就感，進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心，變被動(dòng)接受知識(shí)為主動(dòng)獲取知識(shí)，從而達(dá)到理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐加深理論的良性循環(huán)。

3.4用Proteus改革單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)

單片機(jī)的后續(xù)課程為課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，要完成這些設(shè)計(jì)需要購置的設(shè)備比較多，增加了學(xué)生經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)。采用Proteus仿真軟件后，僅需一臺(tái)電腦就可以進(jìn)行單片機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了。盡管軟件仿真還不是真正的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，項(xiàng)目最終還是要真正進(jìn)入到硬件仿真和測試階段，但如先進(jìn)行軟件仿真，再進(jìn)行硬件投入，可以避免由于設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤所造成的硬件投入上的浪費(fèi)。因此在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)要求學(xué)生必須先通過軟件仿真，再進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。此外，對于電子設(shè)計(jì)競賽前培訓(xùn)，其培訓(xùn)方式一般都是項(xiàng)目培訓(xùn)法。為了節(jié)約時(shí)間和成本，提高培訓(xùn)效果，也可以利用Proteus仿真軟件，在前期培訓(xùn)指導(dǎo)學(xué)生仿真一些相對簡單的小項(xiàng)目，在培訓(xùn)后期，再進(jìn)行一些大項(xiàng)目的制作。

4 效果分析

4.1教學(xué)效果明顯提高

為提高教學(xué)效果，筆者曾設(shè)計(jì)近幾十個(gè)演示電路板，但效果不理想，還費(fèi)時(shí)費(fèi)力。這是因?yàn)檠菔倦娐钒逍。倚钄y帶計(jì)算機(jī)、電源、仿真器、編程器之故。自從將Proteus仿真演示教學(xué)引入課堂教學(xué)后，其極為接近實(shí)際的動(dòng)態(tài)演示激發(fā)了學(xué)生興趣、提高了學(xué)習(xí)的積極性。Proteus使抽象變形象，使重點(diǎn)易懂、難點(diǎn)化解。例如，中斷優(yōu)先級(jí)是課堂教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，以往學(xué)生在課堂上聽不懂，課后也搞不清，現(xiàn)在用Proteus在多媒體教室進(jìn)行仿真，學(xué)生親自參加，效果很好。學(xué)生不僅學(xué)懂了，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性也明顯提高。

4.2學(xué)生學(xué)用結(jié)合、動(dòng)手能力明顯提高

學(xué)生先進(jìn)行Proteus設(shè)計(jì)與仿真，仿真成功后，再進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，很多重點(diǎn)、難點(diǎn)在學(xué)生的Proteus實(shí)踐中得到解決。如做靜態(tài)RAM擴(kuò)展單片機(jī)的存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)時(shí)，以往學(xué)生用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱做該實(shí)驗(yàn)，因?qū)嶒?yàn)箱封閉性、顯示信號(hào)不佳等缺點(diǎn)而使效果不好。現(xiàn)在學(xué)生先用Proteus進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與仿真，效果大增。實(shí)踐證明，Proteus是學(xué)生學(xué)與用、理論與實(shí)踐相結(jié)合的優(yōu)秀平臺(tái)。Proteus仿真動(dòng)態(tài)、直觀，過程與結(jié)果統(tǒng)一，測量與調(diào)試統(tǒng)一，使學(xué)生增強(qiáng)了學(xué)習(xí)單片機(jī)的信心。學(xué)生最難搞懂的讀、寫時(shí)序也能懂了。

4.3學(xué)生可自行實(shí)驗(yàn)，鍛煉解決實(shí)際工程問題的能力

實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，是工科學(xué)生解決實(shí)際工程問題能力中較為重要的。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)忽視了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，對于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)也很少涉及到，因此想將其應(yīng)用到實(shí)際的工程實(shí)踐中難度是比較大的。此外，當(dāng)學(xué)生畢業(yè)后想對單片機(jī)控制技術(shù)或智能儀表等有更深的研究和學(xué)習(xí)，如果采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，則學(xué)生需要購置的設(shè)備比較多，增加了學(xué)習(xí)和研究的投入。采用仿真軟件后，學(xué)習(xí)的投入變得比較小，而實(shí)際工程問題的研究也可以先在軟件環(huán)境中仿真通過，再進(jìn)行硬件的投入。這樣處理不僅省時(shí)省力，也可以節(jié)省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費(fèi)。

4.4實(shí)驗(yàn)過程中損耗小，基本沒有元器件的損耗問題

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，若稍有不慎就可能損壞元器件和儀器儀表等硬件設(shè)備。如果用燒錄器寫程序的方法來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于多次插、拔芯片，易損芯片且效率低，教學(xué)效果不佳。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)過程中需要用到的儀器較多，如計(jì)算機(jī)、電源、燒錄器等，造成設(shè)備維護(hù)工作量大等問題。另外還涉及到儀器儀表等工作造成的能源消耗。采用Proteus仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)則不存在上述的問題，實(shí)驗(yàn)的過程比較安全，基本沒有元器件的損耗問題，在理論和實(shí)踐兩方面都有其比較明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

4.5與工程實(shí)踐最為接近，符合市場對人才的需求

當(dāng)前，單片機(jī)工程的開發(fā)明顯的出現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：一是工程開發(fā)產(chǎn)品的復(fù)雜程度加深；二是工程項(xiàng)目的上市時(shí)間緊迫，即工程項(xiàng)目的研制和開發(fā)必須具有高的效率和短周期。而Proteus與工程實(shí)踐最為接近，市場對Proteus人才有迫切的需求。在單片機(jī)教學(xué)中引入Proteus，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)的興趣，了解實(shí)際問題的解決過程，在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)或做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，可以在Proteus中做一個(gè)工程項(xiàng)目，并將其移植到一個(gè)具體的硬件電路中去，讓學(xué)生知道如何將仿真軟件和具體的工程實(shí)踐結(jié)合起來，從而更高效率地處理工程實(shí)踐問題。

5結(jié)束語

將Proteus軟件引入單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)中，可以實(shí)現(xiàn)把實(shí)驗(yàn)室與課堂有機(jī)地融為一體，實(shí)踐證明是可行的而且是行之有效的方法，它的應(yīng)用，有利于現(xiàn)代人才的培養(yǎng)。從經(jīng)濟(jì)性、可移植性、可推廣性角度講，建立以Proteus為基礎(chǔ)的單片機(jī)仿真系統(tǒng)是非常有意義的，利用仿真系統(tǒng)，可以節(jié)約學(xué)習(xí)、開發(fā)的時(shí)間和成本，具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性。

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